Geometric constraints and cognitive inputs jointly shape emergent brain dynamics and topology

인간의 뇌를 북적이고 초복잡한 도시라고 상상해 보십시오. 이 도시는 단순히 무작위로 뒤섞인 건물들의 집합이 아닙니다. 이 도시는 특정 지도를 가지고 있으며, 구역(영역)들은 물리 법칙과 지리학적 법칙을 따르는 도로(배선)로 연결되어 있습니다. 어떤 도로는 인접한 집들 사이에 짧고 저렴하게 건설될 수 있는 반면, 어떤 도로는 먼 지역들을 연결하기 위해 도시 전체를 가로지르는 길고 비용이 많이 드는 고속도로와 같습니다. 과학자들은 오랫동안 궁금해해 왔습니다. 이 물리적인 지도가 도시의 기능 방식을 결정하는가? 아니면 도시의 일상적인 삶(생각하고, 느끼고, 기억하는 것)이 너무나 유연해서 지도 자체를 완전히 무시할 수 있는가?

이를 이해하기 위해 우리는 두 가지 주요 성분을 살펴봐야 합니다. 첫째, **기하학(geometry)**은 단순히 물리적 배치, 즉 공간상에서 서로 다른 부분들이 얼마나 떨어져 있는지를 의미합니다. 둘씨, **인지적 입력(cognitive input)**은 뇌가 세상으로부터 받는 정보, 예를 들어 빨간 공을 보거나 노래를 듣는 것과 같은 것입니다. 큰 질문은 이것입니다: 이 두 가지가 어떻게 함께 작용하여 뇌의 놀라운 사고 및 적응 능력을 만들어내는가? 만약 지도만 본다면, 당신은 도시가 경직되어 있다고 생각할 것입니다. 만약 교통량만 본다면, 당신은 도로가 중요하지 않다고 생각할 것입니다. 하지만 진실은 아마도 이 둘 사이의 춤일 것입니다. 이것이 연구진이 특수한 종류의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 해결하고자 했던 퍼즐입니다.

---

뇌의 설계도 vs. 뇌의 춤

연구진은 실제 인간의 뇌가 작동하는 방식을 가장 잘 모방할 수 있는 것이 무엇인지 알아보기 위해 세 가지 다른 유형의 "디지털 뇌"(순환 신경망, 또는 RNN이라 불림)를 구축했습니다. 그들은 이 모든 모델에 까다로운 기억 게임인 "지연 매칭-샘플(Delayed Match-to-Sample)" 과제를 학습시켰습니다. 특정 패턴의 빛을 보고, 잠시 기다린 다음, 두 개의 가짜 패턴을 무시하고 정확히 그 패턴을 세 가지 옵션 중에서 골라내는 상황을 상상해 보십시오. 이는 마음속에 정보를 유지하고, 기다리고, 현명한 선택을 하는 것을 요구합니다.

그들이 테스트한 세 가지 유형의 디지털 뇌는 다음과 같습니다:

1. "바닐라(Vanilla)" 뇌: 위치에 대한 규칙이 없는 표준 컴퓨터 뇌입니다. 이는 건물을 어디에나 배치할 수 있고, 도로를 거리와 상관없이 어디로든 연결할 수 있는 도시와 같습니다.
2. "마스크(Masked)" 뇌: 정보가 들어오고 나가는 위치에 대한 규칙이 있습니다. 이는 모든 우편물이 "시각 구역"을 통해 들어와야 하고 모든 결정은 "사고 구역"에서 내려져야 하지만, 도시 내부의 도로는 여전히 무작위인 도시와 같습니다.
3. "바이오(Bio)" 뇌 (bioRNN): 이 모델이 주인공입니다. 이 모델은 마스크 뇌와 동일한 우편 규칙을 가지고 있으면서, 추가로 실제 인간 뇌의 지형을 모방하는 규칙을 가지고 있습니다. 각 "건물" 사이의 연결은 실제 인간 머릿속의 각 뇌 영역 간의 거리에 따라 형성됩니다. 짧은 연결은 만들기 쉽고, 긴 연결은 더 어렵습니다.

놀라운 사실: 기하학은 감옥이 아니라 지름길이다

이 디지털 뇌들을 학습시키기 시작했을 때, 멋진 일이 일어났습니다. "바닐라" 뇌가 게임을 가장 빠르게 배웠는데, 이는 제약 없이 자유로웠기 때문에 당연한 결과입니다. 그러나 "바이오" 뇌는 지켜야 할 규칙이 가장 많았음에도 불구하고 "마스크" 뇌보다 눈에 띄게 빠르게 학습했습니다. 알고 보니, 디지털 뇌에게 현실적인 물리적 지도를 제공하는 것이 오히려 게임을 더 효율적으로 배우는 데 도움이 되었습니다. 물리적 배치가 일종의 유용한 가이드 역할을 하여, 뇌가 도로를 어디에 건설할지 고민하며 시간을 낭비하지 않도록 가능성을 좁혀주었기 때문입니다.

하지만 진짜 마법은 이 뇌들을 실제 인간의 데이터와 대조했을 때 일어났습니다. 연구진은 100명의 실제 사람들이 유사한 기억 게임을 수행할 때의 뇌 스캔(fMRI) 데이터를 가져와서 물었습니다: "어떤 디지털 뇌의 활동이 실제 인간의 뇌와 가장 유사한가?"

결과는 명확했습니다: 오직 "바이오" 뇌만이 성공했습니다. 바닐라와 마스크 뇌는 완전히 빗나갔습니다. 그들의 내부 활동은 실제 인간의 뇌와 전혀 달랐습니다. 반면 바이오 뇌는 매끄럽고 흐르는 듯한 패턴으로 활동을 조직하여 실제 뇌의 레이아웃을 **재현(recapitulate)**했습니다. 심지어 이 모델은 실제 뇌 스캔 자체와 비교했을 때, 감각 부위(느끼고 보는 곳)에서 연합 부위(생각하고 계획하는 곳)로 이어지는 특정 축, 즉 뇌의 "주요 고속도로"를 중등도로 근접하게(moderately close degree) **회복(recover)**해냈습니다.

반전: 학습함에 따라 지도는 변한다

이야기가 더욱 흥편해지는 지점은 여기입니다. 연구진은 바이오 뇌가 시간에 따라 학습하는 과정을 관찰했고, "이력 현상 루프(hysteresis loop)"라고 불리는 이상한 순환 패턴을 발견했습니다.

1. 1단계 (설정): 맨 처음 단계에서 바이오 뇌의 내부 연결은 뇌의 물리적 지도와 매우 흡사했습니다. 그것은 매우 경직되어 있었고 기하학적 구조에 묶여 있었습니다. 하지만 이 단계에서는 실제 인간이 어떻게 생각하는지 전혀 예측할 수 없었습니다. 지도는 갖추었지만, 운전하는 법은 몰랐던 것입니다.
2. 2단계 (돌파구): 게임을 학습하기 시작하면서, 뇌의 활동은 갑자기 실제 인간의 뇌 활동과 매우 유사해졌습니다. 뇌는 자신이 수행해야 할 "춤"을 찾아낸 것입니다.
3. 3단계 (이탈): 게임을 숙달하자 놀라운 일이 일어났습니다. 뇌의 내부 연결이 엄격한 물리적 지도로부터 서서히 멀어지기 시작했습니다. 더 이상 기하학적 구조에 완벽하게 붙어 있지 않았습니다. 뇌는 비용이 많이 들더라도 과업 수행에 꼭 필요한 새로운 장거리 지름길들을 구축했습니다.

이는 뇌의 물리적 기하학이 일종의 비계(scaffold)나 무대와 같다는 것을 시사합니다. 무대는 연극을 올리기 위해 필요하지만, 일단 연극이 시작되면 배우들은 그 위에서 자유롭게 움직입니다. 뇌는 시작하기 위해 자신의 물리적 형태를 사용하지만, 실제 작업을 수행하기 위해 연결을 미세하게 조정합니다.

핵심 비결: 허브와 긴 도로

바이오 뇌가 과제에 능숙해짐에 따라, 뇌는 실제 인간의 뇌와 똑같이 보이는 특정한 "토폴로지(topology, 연결의 형태)"를 발달시키기 시작했습니다. 뇌는 네트워크의 서로 다른 부분들을 연결하는 초연결 중심지인 **허브(hubs)**를 구축했습니다. 또한, 기하학 규칙에 따르면 "비싼" 비용이 드는 연결임에도 불구하고, 네트워크 전체를 가로지르는 **장거리 연결(long-range connections)**을 만들기 시작했습니다.

이것은 매우 중요한 의미를 갖습니다. 뇌가 단순한 격자 구조가 아님을 보여주기 때문입니다. 뇌는 국소적인 이웃들이 서로 소통하면서도, 몇몇 특별한 "슈퍼 고속도로"가 전체를 연결하는 복잡한 웹입니다. 시뮬레이션은 이러한 복잡한 특징들이 누군가 명시적으로 구축하라고 명령하지 않았음에도, 뇌가 학습함에 따라 자연스럽게 출현했음을 보여주었습니다.

이것이 의미하는 바

이 연구는 뇌가 타협의 명수라는 점을 시사합니다. 뇌는 물리적 형태(기하학)를 사용하여 연결될 수 있는 무한한 가능성을 제한함으로써 학습을 더 쉽게 만듭니다. 하지만 학습을 시작하면, 뇌는 인지적 입력(과업과 정보)을 사용하여 어떤 특정 연결을 강화할지 결정합니다.

물리적 지도는 무대를 설정하지만, 그 위에서 펼쳐지는 연극은 경험에 의해 쓰여집니다. 뇌의 놀라운 유연성은 기하학적으로 제약된 구조에서 시작하여, 세상의 요구에 맞춰 그 구조를 부드럽게 구부릴 수 있는 능력에서 나옵니다. 연구진은 이 둘 중 하나만 있어서는 안 된다는 것을 발견했습니다. 지도는 뇌에게 출발점을 제공하지만, 정신적 작업은 뇌에게 똑똑해질 수 있는 자유를 부여합니다.

요약하자면, 뇌는 엄격한 용도 지역제(zoning law)로 시작하지만, 결국 일을 완수하기 위해 몇 개의 불법적이고 초고속인 터널을 만드는 도시와 같습니다. 그리고 바로 그 터널들이 도시를 제대로 작동하게 만드는 핵심이라는 사실이 밝혀졌습니다.